Вращающийся трансформатор в качестве дистанционного датчика

В автоматизированных системах высокоточных измерений угловых координат расположения или скоростных характеристик не обойтись без поворотного или вращающегося трансформатора (далее – ВТ), называемого также резольвером.

Область применения поворотных трансформаторов необычайно широка – от следящих систем и навигационной аппаратуры до цифровых преобразователей «угол-фаза (параметр) -код» и робототехники.

Поворотный трансформатор в качестве электрической машины

В соответствии с ГОСТ 27471-87, регламентирующим терминологию для вращающихся электрических устройств, поворотные трансформаторы относятся к категории информационных электрических машин, преобразующих угол α поворота приводного ротора в напряжение электротока с амплитудой, являющейся функцией угла α(обычно функцией синусоидальной).

Конструктивно поворотный трансформатор идентичен асинхронному двигателю. На рисунке показано устройство двухполюсного прибора, напоминающее компоновку асинхронную микромашину с двумя фазами:

• Поз. 1 – корпус;
• Поз. 2 – статор ВТ;
• Поз. 3 – обмотка статора;
• Поз. 4 – ротор ВТ;
• Поз. 5 – обмотка ротора;
• Поз. 6 – контактные кольца;
• Поз. 7 — щетки

В технологических пазах статора электрической машины (поз. 2) и ротора (поз. 4) размещены по две обмотки (поз. 3 и поз. 5), сдвинутые на 90 градусов. Обмотки статора выполняются с одинаковым количеством витков, аналогично выполнены и обмотки ротора ВТ. Отношение количества витков на выполненных обмотках определяет коэффициент трансформации.

На приведенной схеме проиллюстрирован принцип работы двухполюсного ВТ, основанный на изменении наведенной индуктивности между статорными и роторными обмотками как функции от угла α поворота роторного вала.

У двухполюсного ВТ две пары взаимно перпендикулярных симметричных электрообмоток:

• Обмотки ω₁ и ω_К (С1-С2 и С3-С4)на статоре;
• Обмотки ω₂ и ω₃ (Р1-Р2 и Р3-Р4) на роторе.

Электрообмотка возбуждения ω₁ включается в энергосеть, компенсационная обмотка ω_К  замыкается на резистор. Электрообмотки на роторе — вторичные, Р1-Р2 является обмоткой синусной, Р3-Р4 – обмоткой косинусной. Электрические коммутации с роторными обмотками осуществляются контактными кольцами (поз. 6) и щетками (поз. 7) или при помощи спиральных пружин.

При использовании пружин-спиралей угол α поворота роторной оси у вращающихся трансформаторов ограничен предельно-допустимым значением угла закручивания используемого пружинного устройства.

При подаче электропитания к обмотке возбуждения статора в роторных электрообмотках индуктируется электродвижущая сила (ЭДС), являющаяся функцией угла α поворота роторной оси. При отсчете α от положения взаимной перпендикулярности роторной и статорной осей в одной из роторных электрообмоток индуктируемую ЭДС можно представить как функцию синуса угла поворота (sin α), а в другой – как функцию косинуса угла ( cos α).

Соответственно, использование той или иной электрообмотки определяет синусный или косинусный режим работы поворотного трансформатора. При использовании сразу обеих электрообмоток ротора получается синусно-косинусный режим работы ВТ.

Классификация поворотных трансформаторов

В соответствии со схемой включения, принципом действия при выполнении  определенных функций и типом изменения напряжения на выходе поворотные трансформаторы подразделяют на несколько типов:

• Трансформаторы СКВТ — синусно-косинусные трансформаторы, «выдающие» на напряжение на одной из электрообмоток как функцию sin α, на другой – функцию cos α;
• линейные трансформаторы (ЛВТ) с линейным законом изменения напряжения на выходе по отношению к α;
• масштабные трансформаторы-построители с коэффициентом пропорционального соответствия то есть масштабным коэффициентом) между входным и выходным напряжениями в системе. Масштабный коэффициент зависит от угла α;
• дистанционные датчики и дистанционные приемники, функционально похожие на сельсины;
• первичные преобразователи-фазовращатели.

Синусно-косинусные поворотные преобразователи напряжений являются универсальными приборами, способными к выполнению любого режима работы.

Точность измерений с помощью ВТ

СКВТ позволяют проводить измерения с погрешностью 0,2% от измеряемого параметра (что составляет ± 0.005 от искомой величины). Датчики (приемники) угловых измерений имеют погрешность измерений до 1 угловой минуты.

Для измерений с погрешностью в пределах угловых секунд используются многополюсные изделия ВТ, работающие по принципу электрической редукции. Конструктивно их выполняют разделенными узлами ротора и статора.

Для осуществления контролируемых поворотных режимов функционирования вращающихся информационных машин требуются редукторные механизмы повышенной точности изготовления, которые необходимо встраивать в корпус изделия или монтировать отдельно от изделия и затем механически соединять с валом.

Желающие собрать вращающийся трансформатор своими руками могут столкнуться с массой проблем, связанных с обеспечением в домашних условиях требуемой точности сборки и регулировки изделия.